CN101776420B - 一种具有仿生视频隐身可控变色结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有仿生视频隐身可控变色结构，属于可见光隐身技术。该结构由上底(1)、下底(2)和塔状结构(3)构成，所述的塔状结构(3)平行排列，每个塔状结构(3)为平行多层膜结构，其包括平行交替分布的薄片层(A)和填充介质层(B)，薄片层由立柱(4)支撑，薄片层(A)沿立柱(4)两侧等厚等间距对称分布，塔状结构(3)由上底(1)和下底(2)密封后形成的空腔为充填介质空腔。该结构可实现多因素控制变色，是一种更为合理、行之有效的新型视频隐身的设计方法。

Description

一种具有仿生视频隐身可控变色结构

技术领域：

本发明属于生物表面仿生可见光隐身技术(视频隐身)应用研究，涉及生物、材料、工程仿生学等学科领域。是从工程角度研究生物表面特性，进行功能仿生研究的新领域，在军事、和工程技术等领域有广阔应用前景，具体涉及在可见光范围内通过颜色调节实现视频隐身功能的研究。

背景技术：

视频隐身技术，又称可见光隐身技术，是使武器装备不易被人的眼睛或可见光探测设备发现的一种技术。目前，国外一些国家在继续发展雷达和红外隐身技术的同时，亦在积极探索视频隐身技术新途径。

实现视频隐身的关键是使武器或武器平台本身具有最低的视频可探测信号特征，与所处环境或背景难以区分。现已采用的主要技术途径有：

1、特殊照明系统，即安装一些将光束密封起来的灯，通过控制灯光强度，使其与天空背景浑然一体，以对抗可见光探测设备；

2、适宜颜色，主要针对飞机。在正常光照条件下，飞行高度越高，飞机同天空背景亮度的差别越大。对于不同飞行高度的飞机涂以不同的颜色，可实现飞机的视频隐身；

3、奇异蒙皮，是一种亮度和颜色可调的蒙皮，其变化由可见光传感器控制；

4、电致变色薄膜，是一种通电后能变色的聚合物薄膜，在不同的电压下会发出蓝、灰、白等不同颜色的光，还可显现出浓淡不同的色调；

5、烟幕遮蔽，烟幕通过散射、吸收等方式衰减可见光的光波能量，使可见光侦察器材接收不到目标与背景的反射光波。

这些技术基本上都是通过单一手段实现颜色与环境的融合，本发明结合现有可见光隐身技术，从仿生学角度出发，设计出可以通过角度、介质折射率和膜层厚度等多种因素的可控变化，减低被探测物与环境背景的颜色差异，实现视频隐身。

技术内容：

本发明针对上述技术不足之处，提供一种运用蝴蝶结构色鳞片结构特征的具有仿生视频隐身可控变色结构。

本发明的目的是通过模仿蝴蝶翅膀鳞片的变色机理，设计在可见光范围内通过色度变化实现与所处环境或背景相融合的表面材料，一种具有仿生视频隐身可控变色结构设计

本发明通过以下技术方案实现：

一种具有仿生视频隐身可控变色结构，由上底1、下底2和塔状结构3构成，所述的塔状结构3平行排列，每个塔状结构3为平行多层膜结构，其包括平行交替分布的薄片层A和填充介质层B，薄片层由立柱4垂直支撑，薄片层A沿立柱4两侧等厚等间距对称分布，塔状结构3由上底1和下底2密封后形成的空腔为充填介质空腔。薄片层A的厚度和填充介质层B的厚度在100-300nm纳米范围内，宽度视加工材料强度而定，在确保薄片层A不弯曲变形为前提下没有特殊尺寸限制，各个塔状结构的间距相等，但为保证流体介质的通过顺畅，各塔状结构中的薄片层不应连成一体。上、下底厚度为1-2μm。

所述的塔状结构3选用聚合物SU8胶材料加工ABA型组合塔状多层膜结构，每个塔状结构3包含8-10层薄片层。层数过少，反射率峰值不明显，颜色较暗，层数过多会使杂光增多。

所述的填充介质空腔内充填通过折射率在1-1.3的不同流体介质，用于改变整个结构的反射效果，进行结构色的控制。

上述的具有仿生视频隐身可控变色结构，采用微观多层膜结构，具体说是由多列横截面呈塔状结构薄膜均匀排列而成，且脊线等宽、等间距平行分布，每个塔状结构薄膜由薄片层A和填充介质层B平行交替分布，薄片层A沿支撑脊脉两侧等厚等间距对称分布。

将结构模型经控制软件处理成数据，生成可识别指令，输入计算机控制驱动平台，将SU8胶在盖玻片上旋涂一层薄膜(转速为3000转/min)，95℃前烘30分钟。由计算机控制，驱动转镜和压电平台，控制光束扫描和光闸通断，以实现加工材料在所设计位置上进行双光子激发聚合反应，并通过CCD进行实时监控。加工完成后后烘：95℃，10分钟。放在SU8显影液中1h。

采用的聚合物单体材料是一种紫外光刻负胶，该材料的吸收峰在400nm左右。在图示结构中的实体位置曝光，光刻胶中的引发剂吸收两个光子，从基态跃迁到激发态，然后催化聚合体单体聚合成链交接，耦合成为固体，折射率为1.5，未曝光的部分不发生聚合，在显影液中可以洗掉。

具有较低的视频可探测信号特征。本发明的仿蝴蝶翅膀鳞片视频隐身表面结构设计是根据蝴蝶结构色鳞片变色机理，模仿其微观多层膜结构，应用调节入射角度、介质折射率达到变色效果的仿生视频隐身变色结构。

本发明的目的是通过改变入射角度、介质折射率两个因素共同作用，实现变色效果。采用附图所示结构，即可实现变色效果，具体效果控制可由实施例进行详细说明。

样品颜色变化与入射角度，薄片层和介质层的折射率有下面的数量关系，如公式(1)、(2)所示。

Nλ＝2d(n² _eff-sin²θ)^1/2，N＝1，2，3…(1)

其中：d-单元常数，λ-代表波长，θ-为入射角，N-为自然数，n_eff ²-有效折射系数，与物质的相对折射率有关，可以由公式(3-2)计算得出。

$n_{\mathrm{eff}}^2=n_1^2{f}_1+n_2^2(1-f_1)---\left(2\right)$

一个单元由两种物质组成，几丁质层和空气层，n₁，n₂分别代表二者的折射率，f₁为单元的填充率，即为a/(a+b)，而a，b分别代表薄片层A和空腔层B的厚度，单位为nm。

本发明的技术效果是：本发明提供的可控变色结构可以在可见光范围内，根据所处背景的颜色，实现红、黄、绿、蓝及白色的相互转变，达到与背景颜色相同或相近的效果，降低被发现概率，实现视频隐身的效果。

附图说明：

图1仿蝴蝶鳞片结构设计的仿生视频隐身可控变色结构示意图。

图中：A为薄片层，B为空气介质层，1为上底，2为下底，3为塔状结构，4立柱。塔状多层结构与上下底围成了空腔结构。薄片层A和填充介质层B平行交替分布，形成周期结构，周期数为9。薄片层沿立柱4两侧对称分布。A层和B层的厚度和为100-300nm之间。

具体实施方式：

下面结附图所示实施例进一步说明本发明的具体内容及其工作过程：

仿蝴蝶翅膀鳞片视频隐身表面材料的设计采用多层膜耦合结构，材料选用聚合物材料，横截面结构呈平行多层膜结构。

实施1，如图1，设计一是多层膜结构，这种结构中间呈现脊纹形非光滑形态，且脊线等宽、等间距平行分布；横截面呈塔状多层膜结构，这些薄片层等厚等间距对称分布。以聚合物为SU8胶原材料，通过双光子聚合加工方法，制造9层塔状平行多层膜结构。结构单元的厚度A为300nm，空腔B层厚度100nm。结构样品放置空气中，即填充介质的折射率为1.0的时候，当0°入射时，整个样品为绿色，改变入射或观察角度至45°入射时，其颜色逐渐从绿色变成了蓝色。继续增大角度，整个样品杂光增多，到60°时，样品颜色由单色变成多种杂光的混合色(白色)。

实施2，如图1的结构模型及实施1加工方法不变，结构单元的厚度A为300nm，空腔B层厚度100nm。将该结构放置折射率为1.2液体，如(液态二氧化碳)中，当0°入射时，整个样品呈现黄色，入射角度逐渐增大到45°时，样品逐渐由黄色变成了绿色。继续增大角度，整个样品杂光增多，到60°时，样品颜色由单色变成多种杂光的混合色(白色)。

实施3，图1结构模型及实例1加工方法不变，单元的厚度A为300nm，空腔B层厚度200nm。将样品放置空气中，即填充介质折射率为1.0，当0°入射时，整个样品为黄色，改变入射或观察角度至45°入射时，其颜色逐渐从黄色变成了蓝色。继续增大角度，整个样品杂光增多，到60°时，样品颜色由单色变成多种杂光的混合色(白色)。

实施4，图1结构模型及实例1加工方法不变，单元的厚度A为300nm，空腔B层厚度200nm。将样品放置蒸馏水中，即填充介质折射率为1.3，当0°入射时，整个样品为绿色，改变入射或观察角当45°入射时，其颜色逐渐从绿色变成了蓝紫色。继续增大角度，整个样品杂光增多，到60°时，样品颜色由单色变成多种杂光的混合色(白色)。

Claims (3)

1.一种具有仿生视频隐身可控变色结构，由上底(1)、下底(2)和塔状结构(3)构成，其特征在于，所述的塔状结构(3)选用聚合物SU8胶材料加工ABA型组合塔状多层膜结构，所述的塔状结构(3)平行排列，每个塔状结构(3)为平行多层膜结构，其包括平行交替分布的薄片层(A)和填充介质层(B)，薄片层由立柱(4)垂直支撑，薄片层(A)沿立柱(4)两侧等厚等间距对称分布，塔状结构(3)由上底(1)和下底(2)密封后形成的空腔为充填介质空腔。

2.根据权利要求1所述的仿生视频隐身可控变色结构，其特征在于，所述每个塔状结构(3)包含8-10层薄片层，薄片层(A)的厚度和填充介质层(B)的厚度在100-300纳米范围内，各个塔状结构的间距相等，上、下底厚度为1-2μm。

3.根据权利要求1所述的仿生视频隐身可控变色结构，其特征在于，所述的填充介质空腔内充填通过折射率在1-1.3的不同流体介质，用于改变整个结构的反射效果，进行结构色的控制。